粒子冲击钻井技术提高机械钻速

       现有硬岩石层钻探工具的局限性分别是：牙轮钻头——要求高钻压、高扭矩、低到中等的转速，这些钻井条件通常会导致井眼打斜，缩短钻头寿命和较低的机械钻速。潜铸式钻头——要求中等到高的钻压，中等到高的扭矩，高转速（井下马达和涡轮），在大多数情况下，小的切割深度和高转速仍然仅提供了低的机械钻速。PDC钻头——良好的设计会带来良好的性能表现，应用范围得以扩大，包括较硬的地层；然而，钻头性能随着井眼深度和岩石硬度的增加而变差，仍然需要适度的钻压和很高的扭矩，依靠适度的高转速（井下马达）获取较好的机械钻速，井眼的偏移和钻头齿的结构寿命可能成了问题。

        与上述钻探工具的局限性相比较，一种新的钻井技术及系统，即粒子冲击钻井（particle impact drilling）技术可以有效应对硬岩石层，并显著地提高机械钻速。

       粒子冲击钻井（PID）   有何显著好处

        粒子冲击钻井（PID）的主要目的是，显著提高那些钻进速度很慢和花费很大的井段的机械钻速，这是因为要使钻井段的岩石层具有很硬或很高的耐磨特性，这些很硬的或耐磨性的层段可能仅占要打总井深的较小的比例，但常常占去了钻井的大部分时间和花费，改善这些层段的机械钻速对于钻硬岩石地层的经济效益有着重要作用。在美国和世界各地，这些硬岩石地层包括许多地质盆地；粒子钻井技术研究者认为，这种改善钻井效率的程度可能会开启一些地区许多油气藏的钻探，包括经济地加深开发现有的井，使其到达产油更多的层段，而在这些区域油气藏钻探之前，被认为不经济划算。

       使用粒子冲击钻井技术还涉及到其它几个好处，该技术运用很小的钻压（WOB）——仅5,000至10,000磅（2.27至4.54吨），大多数其它的常规钻井方法钻达目的层需要20,000至60,000磅（9.07至27.22吨）的钻压，由于粒子冲击钻井技术运用了相对较低的钻压进行钻进（如图1），这会大大地减小钻进扭矩、钻具摆动和钻具的弯曲，这些因素会显著地降低井眼的偏移趋势。在常规钻井中，特殊硬地层井眼偏移问题的预防和修正会增加很大额外的钻井成本。业界认为，较低的钻压会从根本上延长钻头的寿命，增加进尺，减少更换钻头的时间。

       粒子冲击钻井（PID）   系统如何工作

        在硬岩石层很快到来之前，粒子冲击钻井系统的人员和设备到达钻井现场，设备与钻机的相关组件结合安装为一体，届时，整个系统用来钻达目的层，粒子冲击钻井系统的主要组件是：粒子注入系统——在泥浆泵与立管之间内联接入；粒子冲击钻头——下入井下，高速运送钢粒子到井底；粒子回收装置——安装在钟形导向短节附近的泥浆出口管线上，在钻井液到达泥浆罐之前，从钻井液中回收粒子；粒子处理和储存装置——从打出的固相颗粒和带有少量钻井液的成分中分离出粒子，在重新注入前回收储存起来，用来再注入；一旦设备和人员各就各位，粒子冲击钻头被下入井内，一种微小体积的钢粒子（小于总流量的5%）通过注入系统被混入钻井液。

        携带粒子的钻井液通过钻具向下行进，通过特殊设计的粒子冲击钻头的水眼获得加速（如图2），达到一个大约500英尺／每秒（152.4米／每米）的速度，喷射速度相当于在井底产生每分钟高于450万次的撞击力，这种撞击力有效地破碎和除去大约90%的被钻岩石，在与岩石很小的接触区域的正上方，钢粒子对井底产生强大的撞击力，这种撞击力会产生一个巨大的触点应力，这种触点应力能产生有序的比破碎岩石所需应力更高的强度。

        即使提高钻压，常规结构的钻头切削齿工作在刚好超过需要破碎岩石应力的临界值，这是由于常规钻头齿结构与岩石的接触区域很大，应用机械能的总量受到限制。

       粒子冲击钻头的水眼被设计成特殊的形状来传送粒子，以最佳的效率除去岩石，粒子冲击钻头使用了人造金刚石PDC切削齿，切削0.05英寸（1.27毫米）大小的井眼厚度，中心锥体切削齿破碎井眼中部无支持的岩石环。

        岩石环不断地形成，并不断地被破碎移走，提高了钻头的稳定性，由于地层材质是通过钢粒子在环绕岩石环的内外进行爆炸式撞击而被去除的，随着深度的改变，岩石环的内应力被减弱，岩石的强度被降低，这使得岩石的去除更容易，特殊情况下，可能出现大的不规则的岩石槽，颗粒状的和大小不同的岩石环碎屑会被去除。

       在地面，粒子和岩屑通过粒子回收装置，这个装置从钻井泥浆和岩屑中分离出粒子，分离后的物质送到粒子处理装置处理，然后进入储存装置，这时粒子还要从仍存有少量泥浆和岩屑的物质中进一步被清洗和分离，在这之后，粒子等待着再次重新注入井下。

        应用证明，如图3，设计这项技术可以显著地减少钻井时间和钻井花费，降低勘探和开发成本，提高整体钻井经济效益，缩短油气生产到油气销售时间，提高钻井速度，从根本上提高油气开发的经济效益。